Neutronen är en grundläggande partikel i naturen som ingår i alla aspekter av vårt dagliga liv. Nu har ett forskningssamarbete under ledning av Los Alamos National Laboratory förbättrat precisionen i mätningar av fria neutroners livslängd. Teamets resultat understryker framgången med UCNTau-experimentets design och ger en förhandsvisning av effektiviteten hos de nya tekniker och metoder som teamet införlivar i nästa generation av experimentet.
”Den exakta livslängden för fria neutroner är en central fråga inom fysiken som fortfarande är omdiskuterad, säger Steven Clayton, fysiker vid Los Alamos. Att förstå neutronens livslängd kan användas för att testa naturen hos den svaga kraften, en av universums grundläggande krafter, och kan också bidra till forskningen om fysik bortom standardmodellen.
Våra resultat bekräftar UCNtau-experimentets metod och visar vägen mot designförbättringar som kommer att öka vår förståelse av den fysik som är inblandad.”
Teamets nya analys, publicerad i Physical Review C, omfattar ytterligare tre års datainsamling från experimentet vid Ultracold Neutron Facility vid Los Alamos Neutron Science Center, med ökad noggrannhet tack vare förbättringar i experimentets systematiska utformning. Resultaten uppdaterar förståelsen av neutronens livslängd till 877,83 sekunder, med en osäkerhet som har minskat till under 0,3 sekunder.
Badkarskonstruktion ger konsekventa resultat
UCNtau-experimentapparaten – UCN står för ”ultrakalla neutroner” och tau är symbolen för en partikels livslängd – fungerar som en magneto-gravitationsfälla, som liknar ett badkar vars konkava yta är täckt av magneter och öppen upptill. UCNtau-experimentet är en variant av en ’flaskfälla’ och står i kontrast till den ”stråle”-metod som används i vissa neutronlivslängdsexperiment.
De olika metoderna har resulterat i olika mätningar av neutronernas livslängd, och ”neutronlivslängdspusslet” har delat fysikvärlden i två läger om huruvida en brist i någon av de experimentella metoderna kan förklara skillnaden.
UCNtau-badkaret fylls med ultrakalla neutroner som har saktats ned kryogeniskt så att de kan räknas när de interagerar med en detektor som sänks ned i badkaret. För att förhindra neutronförlust hindrar magneter på de inre ytorna neutroner från att läcka genom ytan, och gravitationen hindrar neutronerna från att spillas över de höga badkarväggarna.
Neutronerna räknas när en zinksulfiddetektor belagd med bor-10 sänks ner i badkaret. Neutronerna absorberas av bor-10-beläggningen på zinksulfiddetektorn och den överskottsenergin gör att bor-10-kärnan bryts sönder, varvid en fragment pingar på zinksulfiden och producerar en detekterbar – och räknbar – ljusdisplay.
För att finjustera noggrannheten uppdaterade UCNTau-teamet apparaten varje år medan den samlade in data, bland annat genom att förbättra övervakningen av hur många neutroner som initialt laddas in i fällan och noggrannheten i räkningen av neutroner som överlever i fällan efter att ha hållits kvar under en viss tid. Konsistensen mellan de senaste uppgifterna och teamets tidigare resultat bekräftar experimentets utformning. Genomsnittet av resultaten från de fem år som experimentet pågick gav ett nytt mätvärde på 877,83 sekunder. Den siffran inkluderar en felmarginal på mindre än 0,3 sekunder.
”Resultaten är den mest exakta mätningen av neutroners livslängd hittills”, säger Clayton. ”Vårt mål har varit att bättre förstå och kvantifiera systematiska osäkerheter i experimentet och att förbättra den statistiska precisionen för livslängden. Med denna precision har vi tagit den nuvarande designen så långt den kan gå.”
UCNTau+ representerar nästa generations experiment
För nästa omgång data har forskarteamet riktat in sig på att avsevärt öka kapaciteten hos experimentapparaten – en iteration av experimentet som teamet kallar ”UCNTau+”. Teamet modifierar metoden för att fylla fällan för att öka densiteten av ultrakalla neutroner med en faktor mellan 5 och 10, samtidigt som det förbättrar detektorsystemet för att minska den största systematiska osäkerheten med en faktor 10 – till en målsatt total osäkerhet på 0,1 sekunder.
Teamet säkerställer räkneprecisionen genom att utveckla en ny UCN-detektor med en scintillator baserad på ett perovskitmaterial som kan tillverkas för att ge liknande ljusutgång men utan den långa fluorescensspår som finns i den nuvarande scintillatorn.
I centrum för arbetet med att leverera högre neutrondensitet står en nyinstallerad ”hiss” som laddar neutroner i badkaret och svänger framåt och nedåt in i fällan. Hissen är tillverkad av koppar och teflon, som är användbara för att reflektera neutroner och förhindra läckage genom metallen, och kan leverera en större neutronlast ned i fällan. Fällan har konstruerats och tillverkats i samarbete med University of Illinois Champaign-Urbana.
”Hissen i sig var svår att konstruera och tillverka eftersom den måste bilda en tätning när den backar, och vi behövde se till att alla mellanrum var rimliga”, säger Maninder Singh, postdoktorand vid Los Alamos och medlem i UCNTau-teamet. ”Hissar har använts tidigare, men inte i denna skala och inte med denna geometri, där hissen inte rör sig rakt upp och ner. Att implementera denna teknik har varit en spännande utmaning.”
Teamet hoppas kunna ta UCNTau+ i drift i sommar för att börja samla in data.
Mer information: R. Musedinovic et al, Measurement of the free neutron lifetime in a magneto-gravitational trap with in situ detection, Physical Review C (2025). DOI: 10.1103/PhysRevC.111.045501. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2409.05560